(57)【要約】【課題】燃料電池内部で、反応以前のガス状態を調整できる燃料電池を提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜２ｍを狭持し、反応ガスを用いて発電反応を生じるアノード２ａ、カソード２ｃと、それをさらに狭持するセパレータ３、４と、を有する単位セル１を備える。さらに、カソードセパレータ３には、少なくとも一部がアノード２ａの反応領域に面して形成されたカソード反応ガス流路５と、発電反応に用いられる以前のカソードガスが流通するカソード未反応ガス流路６と、を隔壁８を介して隣接して構成し、カソード反応ガス流路５とカソード未反応ガス流路６とを流れる流体間で熱交換可能とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を狭持し、反応ガスを用いて発電反応を生じる電極と、
前記電極をさらに狭持するセパレータと、を有する単位セルを備え、
さらに、前記セパレータには、少なくとも一部が前記電極の反応領域に面して形成された反応ガス流路と、発電反応に用いられる以前の反応ガスが流通する未反応ガス流路と、を隔壁を介して隣接して構成し、前記反応ガス流路と前記未反応ガス流路とを流れる流体間で熱交換可能としたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記隔壁を、水透過性を有する部材により構成する請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記隔壁を、前記セパレータの他の部分より熱伝導性の優れた部材により構成する請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記反応ガス流路内の反応ガスの流通方向と前記未反応ガス流路内の未反応ガスの流通方向とが対向するように構成する請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記発電反応に用いられる以前の反応ガスとして、前記反応ガス流路に導入される以前の比較的低温、低湿度の反応ガスを用いる請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記単位セルを複数積層してスタックを構成し、
前記セパレータには、前記未反応ガス流路の下流端と、隣接する単位セルの前記反応ガス流路の上流端とを連通する連通孔を有する請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記スタックの積層方向端部に配置された二つの単位セルのうち、一方の単位セルの前記未反応ガス流路下流端と、もう一方の単位セルの前記反応ガス流路上流端とを連通する連通流路を備える請求項６に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記セパレータ面内に、一つの前記反応ガス流路と、前記反応ガス流路を挟む二つの前記未反応ガス流路と、を備える請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記セパレータ面内に、一つの前記未反応ガス流路と、前記未反応ガス流路を挟む二つの前記反応ガス流路と、を備える請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
一つの前記反応ガス流路と、前記反応ガス流路を挟んで構成される二つの前記未反応ガス流路と、を備えた第一のセパレータを有する単位セルと、
一つの前記未反応ガス流路と、前記未反応ガス流路を挟んで構成される二つの前記反応ガス流路と、を備えた第二のセパレータを有する単位セルと、を交互に積層してスタックを構成する請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関する。特に、固体高分子型燃料電池を構成するセパレータ形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
アノードに水素、カソードに空気または酸素を利用する燃料電池では、発電に伴ってカソードで水が生成される。液水が生成されやすい高加湿および高電流密度運転においては、カソードで生成された水が電極に溜まり、この生成水に阻害されて反応物が電極に十分に供給されずに電池出力が低下するフラッディング現象が生じるといった問題があった。
【０００３】
そこで、従来の燃料電池として、単位セル内に独立した流路を複数設け、順次、ガスを通過させることにより流速を高め、生成水を吹き飛ばすことによりフラッディングを生じ難くしたものが知られている（例えば、特許文献１、参照。）。また、セパレータに加熱された冷却水を流通させてフラッディングの生じ易い部位の温度を高めることにより、相対湿度を下げてフラッディングを抑制するものが知られている（例えば、特許文献２、参照。）。
【特許文献１】特開２０００−１２０５１号公報
【特許文献２】特開平１０−６４５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、燃料電池において適切な反応を生じるためには、電解質膜の湿度や反応領域の温度が適切に維持される必要がある。しかしながら、上記背景技術に示した燃料電池においては、フラッディングを抑制するための構成は記載されているが、電解質膜の湿度や反応領域の温度を適切に維持するための構成については記載されていない。そのため、燃料電池内に導入する反応ガスの湿度や温度を調整するガス状態の調整手段を備え、予め反応ガスを加湿・加熱してから導入することで、反応ガス入口近傍の電解質膜の乾燥や温度低下を抑制する必要がある。しかしながら、外部にこのようなガスの調整手段を備えることで、システム自体が大型化するといった問題があった。
【０００５】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、燃料電池内部で反応以前のガス状態を調整できる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、固体高分子電解質膜を狭持し、反応ガスを用いて発電反応を生じる電極と、前記電極をさらに狭持するセパレータと、を有する単位セルを備える。さらに、前記セパレータには、少なくとも一部が前記電極の反応領域に面して形成された反応ガス流路と、発電反応に用いられる以前の反応ガスが流通する未反応ガス流路と、を隔壁を介して隣接して構成し、前記反応ガス流路と前記未反応ガス流路とを流れる流体間で熱交換可能とする。
【発明の効果】
【０００７】
セパレータに、電極の反応領域に面して形成された反応ガス流路と、発電反応に用いられる以前の反応ガスが流通する未反応ガス流路と、を隔壁を介し、反応ガス流路と未反応ガス流路とを流れる流体間で熱交換可能とする。これにより、発電反応に用いられる以前の反応ガスが加熱され、燃料電池内部で反応以前のガス状態を調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の実施形態について説明する。燃料電池１１を複数の単位セル１を積層したスタック１４により構成する。燃料電池１１として固体高分子型燃料電池を用いる。スタック１４の断面を図１に示す。なお、図１（ａ）には反応領域の断面であるＡ−Ａ断面を、図１（ｂ）には、後述する連通孔１３を含む端部の断面であるＢ−Ｂ断面を示す。
【０００９】
図１（ａ）に示すように、単位セル１を、電極反応を生じる電極層２を、カソードセパレータ３、アノードセパレータ４で狭持することにより構成する。電極層２を、固体高分子電解質膜２ｍを、触媒層およびガス拡散層よりなる一対の電極、カソード２ｃおよびアノード２ａで狭持することにより構成する。この触媒層を有するアノード２ａ、カソード２ｃが構成された領域が単位セル１の発電領域となる。
【００１０】
カソード２ｃに隣接して、ソリッドプレートを基材とした平板形状のカソードセパレータ３を設ける。また、アノード２ａに隣接して、ソリッドプレートを基材とした平板形状のアノードセパレータ４を設ける。なお、ここでは、セパレータ３、４を構成する基材としてソリッドプレートを用いたがこの限りではない。電極層２に対峙する面の裏面に加湿用の純水を流通する流路を設けたポーラスプレート等を用いても良い。
【００１１】
カソードセパレータ３のカソード２ｃに対峙する領域にカソード反応ガス流路５を、アノードセパレータ４のアノード２ａに対峙する領域にアノード反応ガス流路７を設ける。カソード反応ガス流路５、アノード反応ガス流路７それぞれを流通する反応ガスをカソード２ｃ、アノード２ａに拡散することにより発電反応を生じる。また、カソード反応ガス流路５の両側に、カソード未反応ガス流路６を構成する。
【００１２】
ここで、カソード反応ガス流路５、カソード未反応ガス流路６の構成を、図２に示したカソードセパレータ３の平面図を用いて説明する。
【００１３】
カソードセパレータ３の平面に沿って一方向にカソードガスを流通するカソード反応ガス流路５を構成する。また、カソード反応ガス流路５に隣接して、反応領域に導入される以前のカソードガスを一方向に流通するカソード未反応ガス流路６を設ける。ここでは、一つのカソード反応ガス流路５を、二つのカソード未反応ガス流路６で挟むように構成する。また、カソード反応ガス流路５内の流通方向と、カソード未反応ガス流路６内の流通方向とが対向するように構成する。
【００１４】
なお、図１（ａ）に示すように、カソード反応ガス流路５は、組み立て時に、少なくとも一部が反応領域であるカソード２ｃに重なるように構成される。カソード未反応ガス流路６は、反応領域に重なる領域の外部に設ける。
【００１５】
カソード反応ガス流路５とカソード未反応ガス流路６との間に形成される隔壁８を水透過可能な部材、ここでは多孔質材により構成する。また、隔壁８を、カソードセパレータ３の他の部分より熱伝導性の優れた部材により構成する。
【００１６】
さらに、図２に示すように、カソード反応ガス流路５の下流端には出口マニホールド１０を、カソード未反応ガス流路６の上流端には、それぞれ入口マニホールド９を設ける。マニホールド９、１０を、カソードセパレータ３平面の同じ側の端部に設けた、スタック１４を積層方向に貫通する貫通孔により構成する。
【００１７】
一方、カソード反応ガス流路５の上流端およびカソード未反応ガス流路６の下流端に連通孔１３を示す。連通孔１３を含むＢ−Ｂ断面を図１（ｂ）に示す。
【００１８】
カソード未反応ガス流路６の下流端、カソード反応ガス流路５の上流端を連通する連通孔１３を設ける。ここでは、連通孔１３を、ある単位セル１のカソード反応ガス流路５と、それに積層方向に隣接する単位セル１のカソード未反応ガス流路６とを連通するように構成する。図１（ｂ）に示すように、連通孔１３は、外側から内側に向かってカソードガスを流通する孔となる。
【００１９】
このような燃料電池１１において、外部から、低温・低湿の空気をカソードガスとして燃料電池１１の入口マニホールド９に導入する。入口マニホールド９から各単位セル１に分配されたカソードガスは、カソード未反応ガス流路内６を流通する。このとき、隣接して構成されたカソード反応ガス流路５を流通する反応ガスの有する熱および水が、隔壁８を介してカソード未反応ガス流路６側に移動する。つまり、カソード未反応ガス流路６を流通する、発電反応に用いられる以前のカソードガスが、加熱・加湿される。
【００２０】
カソード未反応ガス流路６を流通してガス状態が調整されたカソードガスは、連通孔１３を介して隣接する単位セル１のカソード反応ガス流路５に導入される。このときカソードガスは加熱、加湿されているため、反応ガス流路５の入口で乾燥や温度低下が生じるのを抑制することができる。カソード反応ガス流路５からカソード２ｃに拡散し、また、アノード反応ガス流路７を流通するアノードガスがアノード２ａに拡散して、発電反応が生じる。なお、発電反応は発熱反応であり、また、カソード２ｃでは生成物として水が生じるので、カソード反応ガス流路５内を流通するカソードガスは、高温・高湿状態となる。この熱および水が、前述したように、隔壁８を介してカソード未反応ガス流路６に移動することで、反応領域に導入される以前に、単位セル１内でカソードガスの加熱および加湿が行われる。同時に、カソード反応ガス流路５側の温度の低下が生じて、発電反応に伴う熱により、反応領域が過剰に昇温するのを抑制することができる。
【００２１】
発電反応に用いられたカソードガスは、出口マニホールド１０から回収されて、燃料電池１１の外部に排出される。また、アノードガスも図示しないマニホールド等により燃料電池１１の外部に排出される。
【００２２】
このように、単位セル１内で、反応中のカソードガス有する熱および水を、未反応のカソードガスに移動させることで、カソード反応ガス流路５内でフラッディングが生じるのを抑制することができるとともに、反応以前のカソードガスの加湿、加熱を単位セル１内で行うことができる。反応以前のカソードガスの加熱・加湿源として、反応領域に存在するカソードガスを用いることで、燃料電池１１の外部にガス状態を調整する手段を必要とせず、システム全体をコンパクト化することができる。
【００２３】
なお、図３に示すように、スタック１４の積層方向端部のうち一方に配置された単位セル１ａのカソード未反応ガス流路６を流通したカソードガスは、もう一方の端部に配置された単位セル１ｂのカソード反応ガス流路５に導入されるように構成する。ここでは、端部に配置された単位セル１ａのカソード未反応ガス流路６下流端と、端部に配置された単位セル１ｂのカソード反応ガス流路５の上流端とを接続する、スタック１４外部に設けられた外部マニホールド１２を備える。
【００２４】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００２５】
固体高分子電解質膜２ｍを狭持し、反応ガスを用いて発電反応を生じるアノード２ａ、カソード２ｃと、それをさらに狭持するセパレータ３、４と、を有する単位セル１を備える。さらに、カソードセパレータ３には、少なくとも一部がアノード２ａの反応領域に面して形成されたカソード反応ガス流路５と、発電反応に用いられる以前のカソードガスが流通するカソード未反応ガス流路６と、を隔壁８を介して隣接して構成し、カソード反応ガス流路５とカソード未反応ガス流路６とを流れる流体間で熱交換可能とする。これにより、単位セル１内で、反応領域に存在するカソードガスを用いて、反応以前のカソードガスの加熱を行うことができる。このように、燃料電池１１内で、反応ガス状態を調整することができるので、外部のガス調整手段を用いる必要がなく、システムをコンパクト化することができる。また、熱交換により反応ガス流路５内を流通する反応ガスの温度上昇が抑えられるので、複雑な冷却機構を必要とせず、反応領域の温度調整を行うことができる。
【００２６】
隔壁８を、水透過性を有する部材により構成する。これにより、カソード反応ガス流路５とカソード未反応ガス流路６との間で水の移動も可能となるので、カソード反応ガス流路５の入口付近の乾燥や、下流側の水詰まりを抑制することができる。これにより、外部に、反応ガスの状態を予め調整するための加湿手段等を設ける必要がなく、システムをコンパクト化することができる。
【００２７】
隔壁８を、カソードセパレータ３の他の部分より熱伝導性の優れた部材により構成する。これにより、反応中のカソードガスと未反応のカソードガスとの間の熱交換を促進することができ、カソードガスを発電に適した状態で反応領域に導入することができる。
【００２８】
カソード反応ガス流路５内の反応ガスの流通方向とカソード未反応ガス流路６内の未反応ガスの流通方向とが対向するように構成する。これにより、カソード反応ガス流路５とカソード未反応ガス流路６との間の熱および水の移動を効率良く行うことができる。
【００２９】
発電反応に用いられる以前の反応ガスとして、カソード反応ガス流路５に導入される以前の比較的低温、低湿度のカソードガスを用いる。燃料電池１１の外部に加熱・加湿手段を設けなくても、反応領域に導入される反応ガスの状態を調整することができる。
【００３０】
単位セル１を複数積層してスタック１４を構成し、カソードセパレータ３には、カソード未反応ガス流路６の下流端と、隣接する単位セル１のカソード反応ガス流路５の上流端とを連通する連通孔１３を有する。これにより、例えば、ある単位セル１で乾燥により発電効率が低下する前に、隣接する単位セル１から十分に加湿されたカソードガスが反応領域に導入される。その結果、単位セル１内で乾燥が進むのを抑制し、スタック１４全体の加湿状態を均一化することができる。
【００３１】
スタック１４の積層方向端部に配置された二つの単位セル１のうち、一方の単位セル１ａのカソード未反応ガス流路６下流端と、もう一方の単位セル１ｂのカソード反応ガス流路５上流端とを連通する外部マニホールド１２を備える。これにより、積層方向端部に配置された単位セル１ａ、１ｂに対して、中央部に配置された単位セル１と同様に、反応領域に導入される以前のカソードガスの状態を燃料電池１１内で調整することができる。
【００３２】
また、カソードセパレータ３面内に、一つのカソード反応ガス流路５と、カソード反応ガス流路５を挟む二つのカソード未反応ガス流路６と、を備える。これにより、発熱部である発電領域からの燃料電池１１の外部への放熱量を抑制することができるので、未反応のカソードガスへの熱の移動を促進することができる。
【００３３】
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。燃料電池１１を構成するスタック１４の断面を図４に、カソードガスセパレータ３の平面を図５に示す。
【００３４】
一つのカソード未反応ガス流路６を挟むように、二つのカソード反応ガス流路５を構成する。この場合には、図４（ｂ）に示すように、カソード未反応ガス流路６と、隣接する単位セル１のカソード反応ガス流路５とを連通する連通孔１３は、内側から外側に向かってカソードガスを流通するように構成される。この場合には、図６に示すように、スタック１４の積層方向端部に配置された単位セル１ａのカソードセパレータ３の略中央に沿って設けられたカソード未反応ガス流路６を流通したカソードガスが、外部マニホールド１２を介して、もう一端に配置された単位セル１ｂのカソードセパレータ３の略外縁に沿って設けられたカソード反応ガス流路５に導入される。
【００３５】
このように構成した場合にも、平面の略外縁に沿って設けられたカソード反応ガス流路５で生成された熱および水が、隔壁８を介して略中央に沿って設けられたカソード未反応ガス流路６側に移動する。これにより、カソード反応ガス流路５のフラッディングを抑制するとともに、反応領域に導入される以前のカソードガスを、カソード未反応ガス流路６内で加熱・加湿して反応に適した状態にすることができる。
【００３６】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００３７】
カソードセパレータ３面内に、一つのカソード未反応ガス流路６と、カソード未反応ガス流路６を挟む二つのカソード反応ガス流路５と、を備える。これにより、カソード未反応ガス流路６から燃料電池１１外部への放熱を抑制し、カソード反応ガス流路５から移動した熱を保持し易くすることができる。
【００３８】
次に、第３の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。燃料電池１１を構成するスタック１４の断面を図７に、カソードガスセパレータ３の平面を図８に示す。
【００３９】
ここでは構成の異なる二種類のカソードセパレータ３ｘ、３ｙを用いる。第一カソードセパレータ３ｘは、セパレータ平面の外縁に沿って構成した二つのカソード未反応ガス流路６ｘが、略中央に沿って形成されたカソード反応ガス流路５ｘを狭持するように構成する。つまり、第１の実施形態に示したカソードセパレータ３と略同じに構成する。第二カソードセパレータ３ｙは、セパレータ平面の外縁に沿って構成した二つのカソード反応ガス流路５ｙが、略中央に沿って形成されたカソード未反応ガス流路６ｙを狭持するように構成する。つまり、第２の実施形態に示したカソードセパレータ３と略同じに構成する。
【００４０】
このような第一カソードセパレータ３ｘと第二カソードセパレータ３ｙとを交互に積層することによりスタック１４を構成する。隣接する第一カソードセパレータ３ｘと第二カソードセパレータ３ｙとは、積層方向にカソード反応ガス流路５とカソード未反応ガス流路６とがそれぞれ隣接して構成される。そこで、図７（ｂ）に示すように、カソード未反応ガス流路６の下流端部で、カソード未反応ガス流路６とカソード反応ガス流路５とを接続する連通孔１３ｘ、１３ｙを設ける。このとき連通孔１３ｘ、１３ｙは、セパレータ平面の外縁部に設けられた二つの流路同士、またはセパレータ平面の略中央に沿って形成された流路同士を連通する。つまり、連通孔１３ｘ、１３ｙは、それぞれ積層方向に略沿ってカソードガスを流通する。
【００４１】
これにより、例えば単位セル１ｙのカソード反応ガス流路５ｙには、一方に隣接する単位セル１ｘのカソード未反応ガス流路６ｘを流通して加湿・加熱されたカソードガスが導入され、単位セル１ｙのカソード未反応ガス流路６ｙを流通したカソードガスは、反対側に隣接する単位セル１ｘのカソード反応ガス流路５ｘに導入される。
【００４２】
なお、第１、第２の実施形態と同様に、スタック１４の端部に配置された単位セル１ａ、１ｂ間は、図９に示すような外部マニホールド１２を用いてカソードガスの導入を行う。このとき外部マニホールド１２は、カソードセパレータ３の平面の略外縁に沿って設けられた二つの流路５ｘ、６ｙまたは５ｙ、６ｘ同士、または略中央に沿って設けられた流路５ｙ、６ｘまたは５ｘ、６ｙ同士を連通する。
【００４３】
次に、本実施形態の効果について説明する。ここでは、第１、第２の実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００４４】
一つのカソード反応ガス流路５ｘと、カソード反応ガス流路５ｘを挟んで構成される二つのカソード未反応ガス流路６ｘと、を備えた第一カソードセパレータ３ｘを有する単位セル１ｘと、一つのカソード未反応ガス流路６ｙと、カソード未反応ガス流路６ｙを挟んで構成される二つのカソード反応ガス流路５ｙと、を備えた第二カソードセパレータ３ｙを有する単位セル１ｙと、を交互に積層してスタック１４を構成する。これにより、反応領域から燃料電池１１外部への放熱を抑制することができるとともに、カソード未反応ガス流路６側に移動した熱を維持し易くすることができる。
【００４５】
なお、本発明は、カソードガスの流路について説明したが、アノードガスの流路に適用してもよい。または、カソードガスおよびアノードガスの流路の両方に適用してもよい。さらには、カソード反応ガス流路５に隔壁８を介して隣接する流路に、反応以前のアノードガスを流通させてもよい。
【００４６】
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、固体高分子型燃料電池に適用することができる。特に、システムの小型化が要求される車載用の燃料電池システムに用いられる燃料電池に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池の積層方向の断面図である。
【図２】第１の実施形態に用いるカソードセパレータの平面図である。
【図３】第１の実施形態の燃料電池の積層方向端部の構成を示す図である。
【図４】第２の実施形態に用いる燃料電池の積層方向の断面図である。
【図５】第２の実施形態に用いるカソードセパレータの平面図である。
【図６】第２の実施形態の燃料電池の積層方向端部の構成を示す図である。
【図７】第３の実施形態に用いる燃料電池の積層方向の断面図である。
【図８】第３の実施形態に用いるカソードセパレータの平面図である。
【図９】第３の実施形態の燃料電池の積層方向端部の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１    単位セル
２    電極層
２ｍ  固体高分子電解質膜
３    カソードセパレータ（セパレータ）
３ｘ  第一カソードセパレータ(第一のセパレータ)
３ｙ  第二カソードセパレータ（第二のセパレータ）
４    アノードセパレータ
５    カソード反応ガス流路（反応ガス流路）
６    カソード未反応ガス流路（未反応ガス流路）
７    アノード反応ガス流路
８    隔壁
１１  燃料電池
１２  外部マニホールド（連通流路）
１３  連通孔
１４  スタック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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